[分享]直接分析法认知与应用

直接分析法初次接触，我也是一头雾水。于是网罗各种资料科普，几日辛苦还是落于笔头比较实在。此篇主要想从理论和应用两个方面做个总结。

 直接分析法隶属哪里？他的上级领导是谁？

直接分析法属于钢结构的一种设计方法，寻根溯源，钢结构设计方法由三个层次构成：

1.      第一层次是指安全角度的考虑，是基于概率理论为基础的极限状态设计方法，牵扯到可靠度和荷载组合两个方面。

2.      第二层次是结构内力分析方法，包括一阶弹性分析分析法，二阶弹性分析法和直接分析法。

3、第三层次的方法是指具体钢构件、连接等的设计。

搞清楚了直接分析法源自哪里，接下来重点落在第二层次的设计方法。简单归纳如下图表。

 

计算长度系数的应用源自一阶弹性分析方法，与直接分析法不在一个平台。以计算长度系数法为基础的一阶弹性分析分析方法是钢结构设计规范（2003版）所推荐的传统钢结构设计方法。该方法将结构设计过程分为结构计算和构件设计两个独立部分，利用理想无缺陷计算模型进行一阶线性计算并基于计算得到内力进行构件强度和稳定承载力验算，在稳定验算中引入2个关键参数，即计算长度系数和构件受压稳定系数，以考虑结构和构件的自身缺陷和二阶效应对构件稳定承载力的影响。由于不能考虑结构体系中内力的塑性重分布，因此对大型结构体系常常给出保守的设计，使结构体系的可靠度高于构件的可靠度。

而直接分析法可以同时考虑几何非线性和材料非线性的全过程分析（高等分析）给出的结构承载能力，将同时满足整个体系和它的组成构件的强度和稳定性的要求，可完全抛弃计算长度和单个构件验算的概念，对结构进行直接的分析和设计。

根据新钢结构设计规范（2017版）的第5.2条、5.1.9条、5.5.10条，我认为对于直接分析法的实施方法首先要看结构体系，不同结构体系采用不同方法。对于规则的框架及支撑结构是一种，对于大跨度钢结构体系又是另一种，应该区别对待。

首先来看规则的框架及支撑结构，需要考虑整体初始缺陷和构件初始缺陷两个方面。程序通过在每层柱顶施加假象水平力来等效考虑整体初始缺陷荷载。

程序是通过采用假想均布荷载进行构件初始缺陷的考虑的（规范公式5.2.2-2）

完成上图第1、2步后点击“适用“，程序会自动生成初始缺陷荷载。

由于采用直接分析法时荷载和位移呈非线性关系，叠加原理已不再适用，规范中的极限状态设计表达式也同样不再适用。为了得到柱子各个截面上的最不利内力设计值，必须先进行荷载组合。在各种荷载组合下进行二阶弹性分析，然后相互比较求得最不利的内力设计值。在用二阶内力计算框架柱的整体稳定时，框架柱的计算长度系数可取1.0，这是二阶分析与一阶分析在稳定计算中的重要不同之处。

 所以在分析运行前需要先进行荷载组合，如下图，程序会自动进行初始缺陷工况的荷载组合。

对于大跨度钢结构体系通过上述规范方法考虑结构初始缺陷便不合适了。需要通过屈曲分析来考虑结构初始缺陷。

[新钢规5.5.10条]  大跨度钢结构体系的稳定性分析宜采用直接分析法。结构整体初始几何缺陷模式可按最低阶整体屈曲模态采用，最大缺陷值可取L/300,L为结构跨度。构件的初始缺陷可按本标准第5.2.2条的规定采用。软件中如何进行屈曲分析呢？

midas Gen 可以完成线性屈曲分析和非线性屈曲分析。我们可以先通过线性屈曲分析得到最低阶整体屈曲模态，然后再利用软件自带的“根据初始缺陷更新模型”功能考虑整体初始缺陷。最后在更新的模型前提下进行非线性屈曲分析。具体步骤简单归纳如下：

1）线性屈曲分析，自动计算更新结构整体初始缺陷。

2）建立需要转换成非线性荷载工况的荷载组合

3）查看非线性荷载工况下线弹性分析位移最大的点，做非线性分析的控制节点。

4）定义非线性分析控制数据

5）查看分析结果，根据非线性屈曲分析求得的稳定系数计算临界屈曲荷载值。

其实线性屈曲分析得到的临界屈曲荷载系数还有一用处。在香港理工大学刘耀鹏的一次讲座中提到，可以根据屈曲荷载系数选择结构内力分析方法。此处截取刘博士讲座中的内容。

结合自己对资料的认识理解，将直接分析法的内容简单归纳如上。如有纰漏，欢迎批评指正。

陈辉

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